（微电子学与固体电子学专业论文）基于bcd工艺的acdc+pwm控制芯片设计.pdf

- - - 。1 。 ；l i ： ，ijjii-jj、i-， 苏州大学学位论文使用授权声明 fl i l l l l l l l l l ll l l l l u i h i i i l li llii ii l l u l ；y 17 3 2 2 9 2 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在l 月解密后适用本规定。 非涉密论文囱 论文作者签名： 导师签名： i t 期：趁左k 羔幺 日期：2 名伍，多，莎， 中文摘要 随着电子技术的高速发展，电子系统应用领域越来越广泛，而任何电子设备都 离不开可靠的稳压电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展 方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源核心部分是控制i c ，由于其高效率、 高集成度、高性价比、最简单外围电路等优点，所以得到了广泛研究。 本文基于华润上华o 5umb c d 工艺技术，设计了一种离线式a c d cp w m 型控 制i c ，它采用电压控制模式产生p w m 信号。该电路正常工作的开关频率为6 7 k h z ， 最大占空比为6 7 ；集成了软启动功能，避免启动时电感电流过冲；具有脉冲工作 模式，提高了待机和轻负载时的转换效率；内置过流、过压、过热和过载保护功能。 该电路具有外部元件简单，重量轻，面积小，效率高，系统稳定等优点。 本文首先综述了开关电源的发展历史与趋势、基本原理与应用，然后描述了本 文设计的p w m 控制芯片框图。接着详细介绍了启动电路、带隙基准、欠压锁存、振 荡器、软启动、p w m 比较器与反馈控制、驱动电路、脉冲模式、过温保护、过载保 护、过压保护、限流比较等子模块的电路设计和工作原理，并利用h s p i c e 仿真工 具对设计的电路进行了仿真，结果表明基本达到了设计要求。最后简单介绍了b c d 工艺技术，并基于c a d e n c ev i r t u o s o 工具设计了芯片版图，并都通过了d r a c u l a 工具的d r c 和l v s 验证。 本文的设计依托姑苏创新创业领军人才项目“新型电源信息管理芯片的研发 ， 结合了各种先进技术，在移动电话、p d a 、m p 3 的充电器和适配器，p c 、彩色电视机 和监视器的备用电源等相关领域有着广泛应用，因此具有重要的研究价值。 关键词：b c d 、a c d c 、开关电源、脉宽调制、软启动 作者：王伟 指导老师：李富华 a b s t r a c tt h ed e s i g no fa na c - d cp w mc o n t r o l l e ri cb a s e do nb c dt e c h n o l o g y t h e d e s i g no fa na c - - d cp w m c o n t r o l l e ri c b a s e do nb c d t e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a v e b e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ，w h i c hc a nn o tw o r kw i t h o u tr e l i a b l ep o w e r s s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s ( s p s ) a r ek n o w na sh i g he f f i c i e n ta n de n e r g ys a v i n gs u p p l i e s t h e yr e p r e s e n tt h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l i e s ，a n do fc o u r s eb e c o m e m a i n s t r e a mp r o d u c t si nd cr e g u l a t e dp o w e rs u p p l i e s b e c a u s eo fl l i 曲e f f i c i e n c y , h i g h i n t e g r a t i o n 。c o s t e f f e c t i v e ，s i m p l ee x t e r n a lc i r c u i t s ，c o n t r o l l e ri c sa st h ec o r eo ft h es p s h a v eb e e nr e s e a r c h e db r o a d l y i nt 1 1 i st h e s i s a no f f - l i n ea c d cp w mc o n t r o l l e ri cb a s e do nc s m c0 5 u mb c d t e c h n o l o g yi sp r o p o s e d 刀抡d e s i g n e di cu s e sav o l t a g em o d ef e e d b a c kp a t ht og e n e r a t e p w md u t yc y c l es i g n a l s t h es w i t c h i n g 矗e q u e n c yi s6 7k h z a n dt h em a x i m u mp w m d u t yc y c l ea t t a i n e di sa b o u t6 7 t h ed e s c r i b e dc o n t r o l l e ri ci n t e g r a t e sn o to n l yt h es o f t s t a r tb l o c kt oa v o i do v e r s h o o tc u r r e n t si nt h ei n d u c t a n c ea f t e ri ts t a r t su p ，b u ta l s ot h e b u r s tm o d eb l o c kt oi m p r o v ee f f i c i e n c yi nt h es t a n d b ym o d ea n dl i g h tl o a dc o n d i t i o n s i t i n c l u d e so v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n ( o c p ) o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n ( o v p ) t h e r m a l s h u t d o w n ( t s d ) ，a n do v e rl o a dp r o t e c t i o n ( o l p ) t h ep r o p o s e di cf e a t u r e ss i m p l e e x t e r n a lc i r c u i t s 。l i g h tw e i g h t ，s m a l ll a y o u t ，h i g he f f i c i e n c y , r e l i a b l es y s t e m t l l i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h eh i s t o r y , t e n d e n c y b a s i cp r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n s o ft h es p s a n dt h e nd e s c r i b e st h eb l o c kd i a g r a mo ft h ed e s i g n e dp w mc o n t r o l l e ri c a f t e r w a r d s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n e ds u b c i r c u i t sa n dt h e i ro p e r a t i o n a l p r i n c i p l e si nd e t a i l ，a n dg i v e ss i m u l a t i o nr e s u l t sb yh s p i e et o o l ，w h i c hs h o wt h a tt h e c i r c u i t sm e e td e s i g n e dr e q u i r e m e n t s t h e s es u b c i r c u i t si n c l u d es t a r t u pb l o c k b a n d g a p r e f e r e n c e 。u v l 0 ，0 s c i l l a t o r , s o f ts t a r t ，p w mc o m p a r a t o ra n df e e d b a c kc o n t r o l ，g a t e d r i v e r , b u r s to p e r a t i o n ，t s d ，o l p ，o v p ，a n dl c p a tl a s t ，t h et h e s i ss i m p l yi n t r o d u c e s b c d t e c h n o l o g ya n dt h el a y o u to ft h ed e s i g n e dc o n t r o l l e ri cb a s e do nc a d e n c ev i r t u o s o t 0 0 1 w h i c ha l lp a s s e dd i 比a n dl v sv e r i f i c a t i o nb yd r a c u l at 0 0 1 t l l i sd e s i g nb e l o n g st ot h ep r o j e c tn a m e da s “t h er e s e a r c ho fn e wp o w e rc h i p s 、析吐l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tf u n c t i o n w h i c hi sa i m e da tg r o w i n gp e o p l ew i t hv e n t u r e s o m e a n di n n o v a t i v eq u a l i t i e sf o rs u z h o u t h ed e s i g nu n i f i e sa l lk i n d so fa d v a n c e dt e c h n o l o g y , a n di tc a nb eu s e dn o to n l yi nc h a r g e ra n da d a p t e rf o rm o b i l ep h o n e ，p d aa n dm p 3 ，b u t a l s oi na u x i l i a r yp o w e rf o rp c ，c t va n dm o n i t o t t h e r e f o r e t h i sd e s i g nh a si m p o r t a n t r e s e a r c hv a l u e s k e y w o r d s ：b c d ，a c - d c ，s p s ，p w m ，s o f ts t a r t i l w r i t t e nb y ： w a n gw e i s u p e r v i s e db y ：l if u h u a 目录 第一章绪论1 1 1 开关电源的发展1 1 2p w m 型稳压电源概述2 1 3 单片开关电源集成电路的发展方向3 1 4 课题研究意义4 1 5 本文所做工作及创新点5 1 6 章节安排5 第二章开关电源的基本原理和应用系统6 2 1d c d c 电源电路原理介绍。6 2 2 开关电源的调制模式7 2 3 开关电源的控制方式8 2 4 本文所设计的控制芯片9 2 4 1 典型应用9 2 4 2 内部结构1 1 第三章电路的设计与仿真1 3 3 1 启动电路13 3 2 基准电源15 3 2 1 基准的分类1 5 3 2 2 本文使用的基准源2 0 3 2 3 偏置电压与偏置电流2 3 3 3 欠压锁存2 4 3 3 1 传统设计思路2 4 3 3 2 本文设计结构及工作原理2 5 3 3 3 仿真结果及结论2 7 3 4 振荡器2 9 3 4 1 振荡条件2 9 3 4 2 振荡器的分类3 0 3 4 3 本文振荡器的设计3 2 3 5 软启动k 3 5 3 5 1 功能介绍及电路原理3 5 3 5 2 分频器的实现3 5 3 5 3 分压器、m u x 与高压启动控制电路3 7 3 6p w m 与反馈控制。3 9 3 6 1 反馈控制3 9 3 6 2p w m 比较器4 1 3 6 3 数字逻辑控制4 3 3 7 驱动电路设计4 4 3 7 1 驱动电路的原理。4 5 3 7 2 电平移位。4 6 3 7 3 驱动电路设计4 7 3 7 4 驱动电路仿真4 9 3 8b u r s t 工作模式4 9 3 9 过温保护5 2 3 10 超载保护5 4 3 1 1 过压保护5 6 3 1 2 限流保护与前沿消隐5 8 3 1 2 1 限流保护5 8 3 1 2 2 前沿消隐6 0 3 13 整体电路仿真。6 1 第四章工艺及版图设计。6 4 4 1b c d 工艺简介6 4 4 1 1b c d 工艺驱动力6 4 4 1 2b c d 工艺发展方向。6 5 4 1 3b c d 中的隔离技术6 5 4 1 4b c d 的高压技术6 6 4 1 5c s m cb c d 工艺6 7 4 2 版图设计6 8 第五章总结7 1 参考文献7 2 硕士期间发表论文7 5 致j 射7 6 开关电源的前身是线性稳压电源。线性电源采用工频变压器，通过线性调节器 调整输出电压，按照连接方式可分为并联型和串联型。并联型线性稳压电源利用稳 压二极管吸收额外电流，要求电源具有较高内阻，只适用于小负载电流场合，效率 较低。串联型线性稳压电源是在输出与负载之间串联电压调整管，将输入输出电压 差转换为调整管上的发热，这种电源体积庞大，功耗较高，效率很低【1 】f 2 】。 开关电源取代线性电源是电源技术发展史的一次飞跃。1 9 5 5 年美国科学家罗耶 ( q h r o y e r ) 发明了多谐振荡器，将直流信号变为交流的矩形波，此放大器的 相位控制因此也就变为导通时间或关断时间在整个矩形波中所占的比例控制，即时 间比例控制，它为p w m 控制技术以及线性电源向开关电源转化奠定了理论基础。 到2 0 世纪6 0 年代，晶闸管及其派生元件等新型电力电子器件的发展给开关电源的 发展提供了物质基础，采用p w m 控制的开关电源逐渐取代晶体管线性稳压电源。 顾名思义，开关电源是指电路中电力电子器件工作在开关状态的电源。在实际 应用中，开关电源所覆盖的范围比这个概念要小的多。需要同时具备以下三个条件 才能称之为开关电源：一是电路中的电力电子器件必须工作在开关状态；二是电力 电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；三是电源输出是直流而不是交流。早 期p w m 开关电源的转换效率可以达到6 5 7 0 ，远远超过线性电源3 0 - - 4 0 的 转换效率【3 】。 开关电源替代线性电源，摆脱了笨重的工频变压器，突破了制约电源装置向小 型化发展的瓶颈。但是受半导体技术发展的限制，早期的开关电源只能选用巨型晶 体管( g t r ) ，工作频率最高只能到2 0 k h z 。后来随着新型功率开关器件、磁性材 料的应用，开关电源的频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度 进一步提高。2 0 世纪8 0 年代，i g b t 的出现使得开关电源在中大功率直流电源中也 得以发挥作用，这个时代的开关电源工作频率已达到1 0 0 2 5 0 k h z 。2 0 世纪8 0 年代 以后的2 0 年，开关电源的工作频率已达到几十甚至上百兆，为了解决因频率提高 1 计 所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变输出电压的大小， 也可改变输出频率的大小。 p w m 电源控制器在提供高压开关管驱动脉冲的同时，需要对输出进行稳压控 制，而且还必须能对电源和负载提供保护，它通常有欠压保护、过压保护、过温保 护、过载保护、限流保护、反馈控制等基本功能。p w m 型稳压电源是开关电源的 主流，其具备的特点如下【5 】： 1 ) 体积小、重量轻 由于线性稳压电源在电源与负载之间串联调整管，将输入输出电压差转换为调 整管的发热，致使需要很大的散热器。而p w m 开关电源的调整管工作于开关方式， 机内温度低，不需要较大散热器。 2 ) 效率高 由于采用开关控制来稳定输出电压，高压功率器件的功率损耗比串联型线性稳 压电源小的多。 2 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 第一章绪论 3 ) 适应性强 p w m 型稳压电源的高压功率管工作在开关状态，其功率损耗原则上不随电网 电压和电源输出电压的变动而变动，只要脉冲宽度调节范围许可，它可以工作在电 网和输出电压变动幅度较大的场合，同时因为没有低频变压器，对电网频率的变化 也容易适应。 4 ) 不易输出过电压 串联型线性稳压电源输入和输出的电压差值大，一旦功率管被穿通损坏，将会 输出危及负载的过电压；p w m 型稳压电源在高压功率管损坏时，主回路将停止工 作，没有过电压输出。由控制回路故障引起的输出电压上升，由于速度较慢，过电 压保护电路可以在其上升到危险电平前将电源切断，对负载提供充分保护。这种特 点对于像集成电路等这样的对过电压比较敏感的负载而言是非常有利的，这也是它 在集成电路时代得到广泛应用的原因之一。 5 ) 输出电压越低，输出电流越大 它是一种功率转换装置，在转换同样功率时，输出电压越低，输出电流就越大， 因此，像集成电路那样要求提供低电压大电流的场合正好合适。综上所述，p w m 型稳压电源非常适宜做集成电路型电子设备的主机功率源，因此可以说它是目前一 种颇为理想的大功率稳压电源。 1 3 单片开关电源集成电路的发展方向 低功耗、模块化、集成化是电力电子产品或电路的发展方向。在能源日益紧张 的今天，电源产品也越来越重视效率和能耗，具有高效率、低功耗已经成了这个时 代的主题。模块化是大功率开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分 布式电源系统，并实现并联的方式进行容量扩展。对于中、小功率开关电源，目前 广泛应用单片开关电源集成电路，它具有高度集成化、高性价比、最简单外围电路、 最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点，它于2 0 世 纪9 0 年代中后期问世后，便显示出强大的生命力，由它构成的开关电源成本低、 效率高、体积和重量则大为减小【6 】- 【舯。开关电源的集成化技术开始成为开关电源技 术研究的新热点，代表了未来开关电源技术的发展方向。单片开关电源集成电路的 3 第一章绪论基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 发展方向是： 1 、高度集成化 单片开关电源集成电路最初只是将一些开关电源的核心单元即控制电路集成 化，由于封装工艺的发展，功率开关的散热问题得到有效地解决，因此控制电路、 功率输出级、保护电路等被集成到一起。信息传输、控制与功率半导体器件全部集 成在一起的系统集成的设想已被提出。 2 、功能复杂化 从最初的调制功能到将控制电路、保护电路以及传感器电路等集成到一起的智 能功率集成电路发展表明，在保证功率器件安全工作，提高单片开关电源集成电路 可靠性的前提下，为了适应不同领域的功能要求，势必要求其内部功能复杂多样。 3 、高效节能 开关电源被誉为高效节能的电源，然而在能源紧张的当代社会，在保证电能变 换相应指标和性能的前提下，最大限度地节约能源，降低能源消耗依然是单片开关 电源集成电路致力的目标，所以s k i pc y c l em o d e ，g r e e nm o d e ，b u r s tm o d e 被广泛 采用。 1 4 课题研究意义 几乎所有的电子设备在工作时，都需要稳定的直流电源。p w m 型开关直流电 源由于具有效率高、体积小、功耗低、携带方便、可靠性能高、输出电压范围大等 优点，而被广泛应用于电子产品，如手机、m p 3 的电源适配器和充电器，家用电器， 通信基站的电源设备，以及航天军工等。 当前开关电源正在高速更新和发展，模块化、集成化是p w m 型开关电源的发 展方向。我国的电源管理系统技术发展迅速，芯片内集成了包括基准源，时钟发生 器，p w m 比较器，以及各种保护电路，但是由于工艺水平和技术水平的落后，在 芯片内集成电力电子器件，使用同步整流技术、软开关技术、平面变压器技术等高 端技术方面还与国外存在比较大的差距。因此对开关电源的研究具有实际意义和价 值。 4 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计第一章绪论 1 5 本文所做工作及创新点 本文研究与设计了一种基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片，主要工作及 设计目标如下： 1 ) 在查阅国内外的相关文章和技术的基础上，深入了解开关电源的基础知识以 及相关高压工艺。 2 ) 完成芯片功能划分，设计和仿真内部功能模块。 此芯片内部功能模块主要有高压充电电流源、带隙基准电压源、欠压锁存、振 荡器、过压保护、超载保护、热关闭、限流保护、前沿消隐、软启动等。首先对各 功能模块定义，再设计出电路图，接着基于c s m c2 0 v0 5 u mb c d 工艺库，用h s p i e e 对各功能模块进行仿真，最后将各功能模块连接进行静态仿真。 3 ) 完成芯片版图设计以及d r c 、l v s 验证。 在电路仿真完成后，基于c s m c2 0 v 高压0 5 u mb c d 工艺设计规则，在c a d e n c e 环境下对芯片进行版图的实现，并进行d r c 和l v s 的检查。 本文的创新点为：1 ) 内置高性能带隙基准电路，其具有温度系数低、p s r r 低、 带负载能力强等优点；2 ) 改进后的欠压锁存电路具有结构简单、面积小、功耗低、 温漂小等优良特性；3 ) 对传统过压保护电路进行了改进，改进后的电路结构更简单、 版图面积更小、功耗更低；4 ) 芯片内部集成b u r s t 操作模式，提高了待机和轻负 载时的效率；5 ) 内置软启动模式，提高了系统稳定性；6 ) 改进后的驱动电路提高 了e m i 特性，防止寄生l a t c h u p 效应与高压管被击穿。 1 6 章节安排 本文设计了一个基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制器，共五章，各章节安排 如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了开关电源的一些背景知识； 第二章主要对开关电源的一些基础知识作了说明，并介绍了本文设计的控制器 的应用系统； 第三章对控制器进行了功能的划分、设计和仿真； 第四章介绍了b c d 工艺及基于该工艺下的版图设计； 第五章是总结部分。 5 第二章开关电源的基本原理和应用系统基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 第二章开关电源的基本原理和应用系统 2 1d c d c 电源电路原理介绍 虽然本文设计的芯片为a c d c 转换开关稳压器，但从变换的角度来看，外界 的交流电压经过硅桥转换后已形成初步的直流电压，然后再经过一个d c d c 转换， 得到一个所需要的稳定直流电压。因此该芯片开关电源的作用应该说仍是一个 d c d c 变换的控制器，下面介绍d c d c 变换的基本原理【1 】【2 】【1 8 】。 d c d c 变换器实质上有三种基本形式，即b u c k 、b o o s t 、i n v e r t o r ( 或称f l y b a c k ) ， 其余形式均是在这几种基本形式的基础上演化而得到的，如c u k 、s e p i c 、z e t 、 f l y b a c k 、b o o s t 的级联，另外还有隔离型变换器、双向传输器等。 b u c k 变换器，又称降压变换器，如图2 1 所示。其中，开关器件m o 作为单刀 单掷开关与直流输入电压v d 。串联。m 0 导通后，在电感线圈未饱和前，电感上的电 流线性增加，此时除向负载供电外，还有一部分能量储存于l o 和c o 中，二极管d o 截止。m o 关断时，电感上的电流不能突变，l o 上产生极性为左负右正的反向电动 势，使d o 导通，l o 中的能量传递给负载，维持输出电压不变。 图2 1b u c k 变换器 b o o s t 变换器，又称升压变换器，如图2 2 所示。升压型开关电源转换系统与 降压型转换系统有相同的组成部分，只是它们的位置被重新调整。m o 导通后，电 感l o 上有电流流过而储存电能，续流二极管d o 截止。m o 断开后，由于电感上的电 流不能突变，k 上产生上正下负的反向电动势，使d o 导通，l o 上存储的能量经d o 6 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计第二章开关电源的基本原理和应用系统 传递给负载。 图2 2b o o s t 变换器 i n v e r t o r 变换器，又称反极性变换器，如图2 3 。当开关管m 0 导通时，有电流流 过电感l o ，l o 存储能量，当m o 断开后，电流有减小趋势，l o 产生上负下正的反向 电动势，二极管d o 导通，负载上有输出电压，电容c 充电储能。 图2 3m v e r t o r 变换器 其它拓扑形式( 上述三种结构的级联演化) 就不详细分析了。 2 2 开关电源的调制模式 目前开关电源控制器的调制方式主要有三种：脉冲宽度调制方式( p w m ) 、脉冲 7 开关电源的基本原理和应用系统基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 制方式( p f m ) 和混合式调制方式1 2 1 。 p w m ( 脉宽调制模式) ：驱动信号的频率保持不变，通过改变脉冲的宽度( 也 节占空比) 来实现对输出电压的调节和控制。 p f m ( 频率调制模式) ：驱动信号的占空比保持不变，通过改变振荡器的振 来实现对输出电压的调节。 混合型：通过调节p w m 驱动信号的频率和脉冲宽度( 占空比) 来实现调 定输出电压幅度的目的。这种类型的开关稳压电源电路一般被应用在输出电 压可以高于或低于输入电压的开关稳压电源电路中。 表2 1p w m 与p f m 的比较 p w mp f m 中载、重载时效率高；轻负载时效率高；工作频 优点 较低e m i率高，频率特性好 频谱范围较宽，滤波实现 缺点轻负载时效率低困难；高峰值开关电流和 纹波电压大 为了解决传统p w m 轻负载时效率低下的问题( 如表2 1 ) ，跨周期的设计理念 被采用，当负载变轻时输出电压改变，通过检测输出电压的变化，控制其跨过一定 的脉冲周期从而减小功耗。通过对跨周期信号的建模仿真，表明带有跨周期调整的 开关电源系统具有响应速度快、效率高、e m i 小、鲁棒性强等优点；但同时也有纹 波较大的缺陷。 2 3 开关电源的控制方式 开关电源电路根据反馈取样信号控制方式的不同，可以分为电压控制模式和电 流控制模式两种f 9 】【1 0 l 。 电压型控制是开关电源最基本的一种控制技术，属于单环反馈控制方式。基本 原理是误差放大器直接检测输出电压，将输出电压采样得到的反馈电压与一个电压 基准比较，产生p w m 控制信号控制开关管的通断。图2 - 4 是电压控制型p w m 控 制器的原理图。 电流型控制是采用混合电压和电流的反馈，具有电压反馈环和电流反馈环的双 r 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计第二章开关电源的基奉原理和应用系统 环控制系统：一个由接收输出电压采样信号的误差放大器构成的电压外环；一个由 接收初级峰值电流采样信号的p w m 比较器构成的电流内环。图2 5 是电流控制型 p w m 控制器的原理图。 图2 4电压型p w m 控制器 图2 5电流型p w m 控制器 电流型和电压型的特点比较【1 3 】【1 4 】【1 5 】： 1 、电压型优点：( a ) 系统的设计和分析较容易；( b ) 具有低阻抗功率输出特性。 缺点：( a ) 动态响应速度较慢；( b ) 补偿控制比较复杂。 2 、电流型优点：( a ) 动态响应快，调节性能好；( b ) 易于实现限流和过流保护。 缺点：( a ) 占空比大于5 0 的开环不稳定( 峰值电流控制) ： ( b ) 存在斜坡匹配的大信号问题( 平均电流控制) 。 2 4 本文所设计的控制芯片 2 4 1 典型应用 本文设计的控制芯片应用于反激式变换器拓扑结构中，如图2 - 6 所示。输入电 压为8 5 - - 2 6 5 v 交流电，输出功率约为8 w ，适用于移动电话、p d a 、m p 3 的充电 器和适配器，p c 、彩色电视机和监视器的备用电源等相关领域。 在图2 - 6 中，最左侧为市电提供的交流输入端，最右侧为直流电压输出端。整 个系统分为以下几个部分： 1 ) 由全波整流电桥u r 和电容器c l 组成的工频整流滤波电路，将交流市电转 换为高压直流电。 9 第二章开关电源的基本原理和应用系统基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 2 ) 由本文设计的开关电源管理芯片p w m 、开关功率管m 1 、变压器t ，以及 r 1 、r s e n s e 、d 1 、d 2 、c 2 、c f b 、c v c c 等组成的高频振荡和脉宽调制电路，产 生脉宽受控的高频脉冲电压，实现变压和稳压。 ： 3 ) 由整流二极管d 3 、电容器c 3 组成的高频整流滤波电路，将高频脉冲电压 变换为直流电压输出。 4 ) 由稳压二极管z l 、电阻i 匕和光耦器件组成的反馈控制电路，以控制高频振 荡电路的脉冲宽度。 t 图2 - 6 系统应用的典型结构 该应用系统的工作原理是：市电经过u r 整流、c 1 滤波后得到约为3 1 0 v 的高 压直流电，作为高频振荡和脉宽调制电路的工作电源；在电源电路刚开始工作的时 候，m 1 处于关断状态，变压器t 主线圈t 1 上的压降为零，并不能向次级线圈t 2 传输能量，次级线圈t 2 输出端电压为零，同时脉动的高压通过芯片内的充电电路 对v c c 外接电容充电，当v c c 电压达到9 v 后，功率管m 1 开始工作，充电电路被 关断，此时变压器已经开始能量的传输，控制芯片通过v c c 由反馈线圈t 3 供电。 次级线圈t 2 输出电压，经光耦隔离采样，以及检测电阻r s e n s e 对开关管m 1 峰值 电流的采样，输出脉冲控制信号来控制功率开关管m 1 的导通与关断。当v c c 电压 低于7 v 后芯片内部振荡信号将关闭，高压充电电路再次开启，这样反复，因为系 统是闭环系统，最终v c c 将稳定在9 v 。 图2 - 6 中变压器t 传输能量的原理是：当功率管m 1 导通时，就将电能储存在 1 0 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 第二章开关电源的基本原理和应用系统 高频变压器t 的初级线圈t 1 内；当m 1 关断时，才向次级线圈t 2 传输能量，由于 开关频率高达7 0 k h z 左右，所以高频变压器能够快速储存和释放能量，经过整流 滤波后即可得到直流连续输出电压。 2 4 2 内部结构 本课题所设计的芯片为离线式p w m 开关电源管理芯片，采用c s m c0 5 u r n b c d 工艺技术。由上一节介绍的典型应用背景，并结合图2 7 本文所设计的芯片内 部结构，该芯片具有以下功能模块： 图2 7 本文所设计的芯片内部结构图 1 ) 高压充电电流源 在图2 - 6 中，经过a c d c 全桥式整流滤波后产生的电压直接作为该芯片的输 入。高压充电电路把该输入转换为电流对v c c 外接电容充电，直到芯片启动的阈值 电压( 9 v ) 为止，这时芯片才由次级线圈t 3 供电。该芯片集成了一个高压充电电 第二章开关电源的基本原理和应用系统基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 流源以初始化系统工作。 2 ) 欠压锁存电路 该电路可以实时地对电源电压v c c 进行监控，以保证系统有稳定的电源供电。 3 ) 基准电压源与内部偏置电路 开关电源管理芯片是一个混合信号的处理芯片，所以内部需要提供足够精确的 基准电压，以满足比较器、参考电流源、数字逻辑电源等模块对于电源电压精度的 要求，而且尽可能减小基准电源温度敏感度。 4 ) 软启动模块 当系统刚启动时，为了给变压器、电感和电容器建立正确的工作条件，往往要 求功率开关器件的脉冲宽度逐渐的增加。同时为了阻止变压器饱和，减小次级二极 管压力，也要求输出电容器上的电压逐渐增加。 5 ) 精确的时钟信号 脉宽调制其实就是利用反馈电压与振荡器产生的锯齿波比较，产生宽度不同的 脉冲，最终输出一个稳定直流电压。振荡器的精度直接影响到脉宽调制的精确度。 6 ) b u r s t 模式 在能源日益紧张的今天，节能环保已经成为这个时代的主题。本文采用脉冲模 式( b u r s tm o d e ) 以减小系统在待机模式下的功率耗散。 7 ) 保护电路 为了增加系统可靠性，设计了诸如过压保护、超载保护、热关闭、限流保护、 前沿消隐等功能模块，以使系统在突发情况下关闭高压功率管，待危险消除后，系 统自动重新启动。 8 ) 驱动电路 每个电路都要求其输出级有足够的驱动能力以驱动下一级电路，该芯片由于驱 动高压功率开关器件，所以要求有相对较高的驱动能力。在第三章中详细介绍系统 对各个功能模块的要求，以及各个功能模块的工作原理，电路结构，仿真结果。 1 2 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计第三章电路的设计与仿真 第三章电路的设计与仿真 本章详细介绍了控制芯片中各个功能模块的工作原理、电路结构和仿真结果， 最后简单对系统进行了静态仿真，仿真结果表明基本满足系统对各个功能模块性能 要求。 3 1 启动电路 在启动时，系统通过高压充电电流源向v c c 外接电容充电，同时高压充电电流 源给内部基准和欠压锁存电路提供偏置。当v c c 电压达到9 v 时，高压充电电路关 闭，v c c 外接电容由系统的变压器次级辅助线圈供电，系统正常工作。只要v c c 的 电压不低于7 v ，这种情况将一直维持( 当系统刚刚正常工作时，各个模块启动电 流会把v c c 拉低，为了保证芯片正常启动，同时也是为了防止电源浪涌的影响，设 置7 v 的阈值电压是合理的，详细分析参考关于欠压锁存电路的介绍) ，如图3 1 所 示。为了避免系统在高压充电电路和辅助线圈之间频繁转换而产生振荡，合理选择 充电电流和v c c 外接电容的大小很重要。 图3 1 内部启动电路 图3 2 为本文设计的高压充电电路图。m 1 m 3 为耐2 0 v 高压的l d m o s ，其 中m 3 为复位管，当v c 9 = “1 ”时，充电电路不工作，v c c 由辅助线圈供电；当v c 9 = “0 ”时，充电电路工作，对v c c 外接电容器充电。 电路启动时，v s t r 通过r 1 偏置加到镜像管m 1 和m 2 的栅上，使得m 1 、m 2 管导通，由于q l 和q 2 是共源共栅结构，可以近似的认为充电电流i ：= ，r ，。 1 3 第三章电路的设计与仿真基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计 当然这种近似很不精确，这是因为如果上式成立，必须保证q 1 和q 2 的发射极同 电位，由于q 1 和q 2 负载不同，所以很难做到这点。同时，这个充电电流是相对 恒定的，因为这是一个闭环负反馈。假设1 2 增大，由q 2 镜像到q 1 的电流i l 也增 大，则v s t r 通过r 1 的压降增大，导致m 2 的栅压变小，从而使1 2 保持相对恒定。 图3 - 2 高压充电电路 设v c c 的外接电容为1 0 u c ，当启动控制端v 萨“0 时，1 2 以相对稳定的电流 ( o 6 m a ) 对v c c 外接电容充电，如图3 3 所示。注意到1 2 随着时间减小，这是因 为l d m o s 管的二级效应影响【1 1 1 。v c c 随着时间而逐渐上升，如果充电电流不变， m 2 管的源极电位也会逐步上升，这样就会使得源漏极之间压差减小，充电电流降 低。另外体效应也会使得l d m o s 阈值电压变化很大，实际中可能变化达2 3 v 。 t 5 3 5 3 童 ：2 5 量。 善 i5 i 灿 o 1 2 ，一，_ ，一，”，一，。一，一，。，7 一“ ，一一一一，一一一一一瓢：c 一一 w ， o-炳恤如抽 i - 苗咄) 他 弛矗h瞄他 图3 3 高压启动电路仿真图 1 4 苦-_ 弧飘 弧峨岫鼽 弧甑 峨峨眦 基于b c d 工艺的a c d cp w m 控制芯片设计第三章电路的设计与仿真 3 2 基准电源 基准是本芯片的重要组成部分，可靠而准确的基准是芯片可靠工作的保障。本 节首先介绍了产生基准电源的常用方法，接着详细介绍了本文设计的带隙基准电路 结构与仿真结果，最后简单介